Scientists ID sterol important for oil accumulation in crops

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Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory entdeckten eine Mutation, die normalen Arabidopsis-Pflanzen (links) zu einem Sterinmangel (rechts) führt. Sie führten umfangreiche genetische und biochemische Experimente durch, um die wesentliche Rolle von Sterol bei der Bildung von Öltröpfchen festzustellen. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory

Wissenschaftler, die herausfinden wollen, wie Pflanzen Öl produzieren und ansammeln, haben eine neue wesentliche Komponente des Fließbandes identifiziert. Sie entdeckten ein bestimmtes Sterol – ein mit Cholesterin verwandtes Molekül –, das eine Schlüsselrolle bei der Bildung von Öltröpfchen spielt.

“Diese Forschung erweitert unser Verständnis der molekularen Faktoren, die die Bildung von Lipidtröpfchen steuern, die lebenswichtige Organellen für die Ölspeicherung und den Stoffwechsel in allen eukaryotischen Organismen sind”, sagte Changcheng Xu, Biologe am Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums, der das Studium leitete. Die in Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse könnten neue Wege aufzeigen, den Ölgehalt einer Vielzahl von Pflanzengeweben zu verändern.

Die Arbeit kann besonders wichtig sein, um über gentechnische Strategien zu informieren, die darauf abzielen, den Ölgehalt von Blättern und Stängeln zu erhöhen. Diese Pflanzengewebe sammeln normalerweise kein Öl an, aber sie könnten als reichliche Quelle für nachhaltige Öle zur Herstellung von Biokraftstoffen und anderen Rohstoffen verwendet werden, sagen die Wissenschaftler.

Die Ergebnisse gelten auch für die Anreicherung von Öl in Pflanzensamen, dem Hauptort, an dem sich Öle auf natürliche Weise in Pflanzen anreichern. Diese natürlichen Reservoirs von Pflanzenölen bieten Nahrung für Pflanzenembryonen und Setzlinge – sowie für Tiere und Menschen.

“Wir fanden heraus, dass ein Mangel an einer bestimmten Art von Sterol zu einer Abnahme der Ölansammlung in Samen und Blättern führt”, sagte Xu.

Grünes Licht für die Ölförderung

Xu und sein Team arbeiten seit Jahren daran, die Ölansammlung in Pflanzenblättern und -stängeln zu erhöhen.

„Blätter sind im Vergleich zu Samen viel häufiger als möglicher Bioenergiestoff“, stellte er fest. “Da das Öl in Samen für Lebensmittel verwendet wird, arbeiten wir außerdem daran, Öl und andere Rohstoff-Bioprodukte in Pflanzenteilen, die keine Samen sind, wie Blätter und Stängel, anzureichern, um eine Konkurrenz zwischen Nahrung und Kraftstoff zu vermeiden.”

Wissenschaftler haben Sterol identifiziert, das für die Ölansammlung in Pflanzen essentiell ist
Tröpfchen leuchten grün: Wissenschaftler von Brookhaven Lab haben Arabidopsis-Pflanzen so konstruiert, dass sie grün fluoreszierendes Protein exprimieren, das an Oleosin gebunden ist, ein Protein, das Lipidtröpfchen (LDs) stabilisiert. In der oberen Reihe sind diese LDs unter einem Fluoreszenzmikroskop in Blättern von Kontrollpflanzen (links) leicht zu erkennen, nicht jedoch in Blättern von Mutanten mit einem Mangel an Sterolen (rechts). Die elektronenmikroskopischen Bilder der unteren Reihe zeigen eine Zunahme der LD-Größe, aber eine Abnahme der LD-Zahl in Samen von Sterolmutanten. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory

Das Team hat einige Fortschritte gemacht, um Blätter dazu zu bringen, beträchtliche Mengen an Öl anzusammeln, indem es die gängige Laborpflanze Arabidopsis verwendet.

Sie entwickelten eine saubere Methode, um die Ölansammlung zu verfolgen. Durch Gentechnik schufen sie Arabidopsis-Pflanzen, bei denen ein grün fluoreszierendes Protein immer an ein Protein namens Oleosin gebunden ist. Oleosin reichert sich nur auf der Oberfläche von Lipidtröpfchen an. Es bildet einen Teil der Membran, die diese Ölspeicherkammern in den Zellen umgibt, um sie zu stabilisieren. Wenn eine Probe von Pflanzengewebe – Blatt, Stängel oder Samen – Lipidtröpfchen enthält, fallen sie unter einem Fluoreszenzmikroskop als kleine grüne Punkte auf.

“Wir haben unsere Arabidopsis-Pflanzen mit einem Mutagen behandelt, um zu versuchen, Mutationen auszulösen, die die Ölansammlung erhöhen würden”, sagte Xu und nutzte die Fluoreszenztechnik, um Stämme mit mehr und/oder größeren grünen Punkten zu identifizieren.

Ironischerweise machten sie ihre Entdeckung über Sterol in einer Arabidopsis-Sorte, die fast kein Öl ansammelte.

“Der Hauptzweck der aktuellen Arbeit bestand darin, herauszufinden, welche genetische Veränderung diesen dramatischen Rückgang der Ölansammlung verursacht hat”, sagte Xu. “Wir dachten, das Aufspüren dieses Gens könnte uns einige neue Gene/Proteine ​​geben, die für die Bildung oder Ansammlung von Lipidtröpfchen wichtig sind.”

Hinweise zur Innenmontage

Auf mikroskopischer Ebene wissen Wissenschaftler, dass sich im “endoplasmatischen Retikulum” oder ER von Zellen Lipidtröpfchen bilden. Das ist ein internes Netzwerk von Membranen innerhalb der Zellen (nicht die Membran, die die Zelle umgibt), die wie eine Art Fabrik funktioniert und verschiedene Materialien wie Proteine ​​und Lipide zusammenbaut und verpackt.

Lipidspeichertröpfchen bilden sich, wenn sich Öl zwischen den beiden Schichten der ER-Membran ansammelt, jedoch nur in bestimmten Regionen des ER. Schließlich, wenn genug Öl vorhanden ist, werden die kleinen Membranstücke abgeklemmt, wodurch das Öl in in sich geschlossenen Kammern eingeschlossen bleibt.

Wie die Studie in Brookhaven zeigt, kann die Untersuchung einer Pflanze, die diese Lipidtröpfchen nicht ansammelt, Hinweise auf die biochemischen Faktoren geben, die den Prozess antreiben – und was an den bestimmten ER-Domänen, in denen er auftritt, einzigartig ist.

Wissenschaftler haben Sterol identifiziert, das für die Ölansammlung in Pflanzen essentiell ist
Bildung von Öltröpfchen: Öl (gelb) sammelt sich zwischen den Schichten der Membran, die das endoplasmatische Retikulum (ER) bildet – ein Netzwerk von Membranen im Zytoplasma von Pflanzenzellen. Tröpfchen wachsen und klemmen schließlich ab, um im Zytoplasma suspendiert zu werden. Dieser Prozess findet jedoch nur in bestimmten Mikrodomänen statt, die entlang der Membran reich an Sterolen und Oleosinen sind. Das Brookhaven-Team vermutet, dass Sterol für die Bildung dieser tröpfchenbildenden Mikrodomänen unerlässlich ist. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory

Das Gen annullieren

Um herauszufinden, welche Mutation den dramatischen Rückgang der Ölansammlung auslöste, verwendete das Brookhaven-Team eine Technik, die als positionelles Klonen bekannt ist – eine Methode, jede Chromosomenregion zu durchsuchen, um ein bestimmtes Gen zu lokalisieren, das für ein interessierendes Merkmal verantwortlich ist. Die Technik grenzte die Suche auf eine bestimmte Region in einem der Chromosomen der Pflanze ein.

“Diese Region enthält immer noch Hunderte von Kandidatengenen”, sagte Xu.

Nachdem das Team die Sequenzierung des gesamten Genoms verwendet hatte, um nach einer Mutation in dieser Region zu suchen, identifizierte das Team ein Gen, von dem sie vermuteten, dass es daran beteiligt war. Das Gen kodiert für ein Enzym, das für einen biochemischen Schritt in der mehrstufigen Synthese von Sterol verantwortlich ist, einem mit Cholesterin verwandten Molekül, das in ER und anderen Zellmembranen vorkommt.

Durch das selektive “Ausschalten” der normalen (unmutierten) Version dieses Gens konnten die Wissenschaftler die Wirkung der Mutation duplizieren. Das heißt, Pflanzen mit dem ausgeknockten Gen akkumulierten keine Lipidtröpfchen. Darüber hinaus stellte das Hinzufügen des nicht mutierten Gens die Ansammlung von Öltröpfchen wieder her.

“Dieses Experiment lieferte klare Beweise dafür, dass Sterol eine wesentliche Rolle bei der Bildung von Öltröpfchen spielt”, sagte Xu.

Aber die Wissenschaftler gingen noch weiter. Sie untersuchten auch, was passieren würde, wenn sie im mehrstufigen Sterolsyntheseweg Gene für Enzyme “stromaufwärts” von diesem bestimmten Enzym mutieren würden. Und sie maßen den Sterolspiegel in diesen Mutanten.

Die detaillierten Studien ermöglichten es ihnen, sich auf die spezifische Art von Sterol zu konzentrieren, die bei einem Mangel zu einer geringen Ölansammlung führt.

Wissenschaftler haben Sterol identifiziert, das für die Ölansammlung in Pflanzen essentiell ist
Der Laborbiologe Changcheng Xu aus Brookhaven und sein Team haben nach Wegen gesucht, Pflanzen dazu zu bringen, mehr Öle in Blättern und Stängeln anzusammeln, reichlich vegetativem Gewebe, das für Bioenergieanwendungen geerntet werden könnte. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory

Mutationen in den gleichen Genen führten zu einer verringerten Ölansammlung in Blättern und Samen. In Samen, wo Lipidtröpfchen besser zu sehen sind, führten die Wissenschaftler auch quantitative Studien zu deren Form und Größe durch.

Zusammen belegen die Ergebnisse die universelle Rolle dieses speziellen Sterols bei der Lipidtröpfchenbildung.

“Wir glauben, dass dieses Sterin für die Bildung einer Mikrodomäne in der ER-Membran entscheidend ist, die an der Bildung von Lipidtröpfchen beteiligt ist”, sagte Xu. “Der Mangel an Sterol führt zu einem Defekt bei der Bildung einer solchen Mikrodomäne.”

Jetzt, da sie wissen, was passiert, wenn diese Gene ausgeschaltet werden, schlagen die Wissenschaftler vor, dass Strategien, sie einzuschalten und ihre Expression zu steigern, eine Möglichkeit sein könnten, die Ölansammlung in Blättern, Stängeln oder Samen zu erhöhen.

Das Team wird diese Strategien in zukünftigen Experimenten untersuchen.

Pflanzenzellen fressen ihre eigenen… Membranen und Öltröpfchen

Mehr Informationen:
“Sterole werden für die koordinierte Anordnung von Lipidtröpfchen in sich entwickelnden Samen benötigt” Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-25908-6 Bereitgestellt vom Brookhaven National Laboratory

Zitat: Wissenschaftler identifizieren Sterol, das für die Ölansammlung in Pflanzen essentiell ist (2021, 22. September), abgerufen am 22. September 2021 von https://phys.org/news/2021-09-scientists-id-sterol-essential-oil.html

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